Wissenschaftler der NTU Singapur entwickeln flexible ultraviolette Hochleistungssensoren für den Einsatz in Wearables

03.08.2021 - Singapur

Um die Entwicklung von tragbaren Geräten zu ermöglichen, die über fortschrittliche Funktionen zur Erkennung von ultraviolettem Licht (UV) verfügen, haben Wissenschaftler der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapur) einen neuartigen Lichtsensor entwickelt, der sowohl flexibel als auch hochempfindlich ist.

Obwohl für das menschliche Auge unsichtbar, sind wir in unserer Umgebung von UV-Strahlen umgeben, und eine übermäßige Exposition kann gesundheitliche Probleme wie Hautkrebs und vorzeitige Hautalterung verursachen. Die Intensität der UV-Strahlung wird in der Regel in Form eines Indexes in den Wetterberichten angegeben. Ein tragbares Gerät, z. B. ein T-Shirt oder eine Uhr, das die tatsächliche persönliche UV-Belastung während des Tages überwacht, wäre ein nützlicher und genauerer Leitfaden für Menschen, die Sonnenschäden vermeiden wollen.

In ihrer Studie, die auf dem Titelblatt der Fachzeitschrift ACS Nano veröffentlicht wurde, berichten die NTU-Forscher, dass ihre flexiblen UV-Lichtsensoren 25-mal schneller und 330-mal empfindlicher sind als bestehende Sensoren und damit das für optoelektronische Anwendungen - oder lichtbasierte Elektronik - erforderliche Leistungsniveau übertreffen.

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UV-Lichtsensoren, auch Photodetektoren genannt, werden in einer Vielzahl von Systemen eingesetzt, von Smartphones bis zur biomedizinischen Bildgebung. In den letzten Jahrzehnten hat sich Galliumnitrid (GaN) als ideales Material für die Herstellung von UV-Lichtsensoren durchgesetzt, vor allem aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften beim Emittieren, Regulieren, Übertragen und Erfassen von Licht.

Die meisten UV-Sensoren auf GaN-Basis sind jedoch auf starren Schichten aufgebaut, was ihre Verwendung in flexiblen und tragbaren Produkten einschränkt.

Zwar haben Forscher andernorts flexible UV-Sensoren auf GaN-Basis entwickelt, doch haben sie noch nicht das Leistungsniveau erreicht, das für einen modernen Einsatz erforderlich ist. Zwei ihrer größten Probleme sind die geringe Ansprechbarkeit und die geringe Empfindlichkeit.

Die Erfindung der NTU überwindet die Grenzen starrer UV-Lichtsensoren

Das NTU-Team überwand diese Beschränkungen, indem es seine flexiblen UV-Lichtsensoren auf einem Halbleiterwafer mit einem Durchmesser von 8 Zoll herstellte. Dabei wurden freistehende einkristalline Schichten aus GaN und Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) verwendet, die mit Hilfe von Membranen angeordnet wurden, die aus zwei verschiedenen dünnen Halbleiterschichten bestehen (Heterostrukturmembranen).

Diese Art von Halbleiterstruktur, die mit bestehenden, industriekompatiblen Methoden hergestellt werden kann, erlaubt es, das Material leicht zu biegen, was es ideal für den Einsatz in flexiblen Sensoren macht. Gleichzeitig ändert sich die chemische Zusammensetzung des Materials mit der Tiefe, so dass die hohe Leistungsfähigkeit auch bei Belastung erhalten bleibt.

In Labortests erreichten die flexiblen UV-Lichtsensoren der NTU, die mit der neuartigen Kombination aus AlGaN und GaN hergestellt wurden, eine äußerst hohe Empfindlichkeit und Ansprechbarkeit. Sie wurden mehrfachen Biege- und Hochtemperaturtests unterzogen und zeigten dabei ebenfalls eine gute Leistung.

Bei einer Reihe äußerer Belastungen (Druck-, Flach- und Zugbelastung) erreichten die Sensoren eine Empfindlichkeit zwischen 529 und 1340 Ampere/Watt (Einheit zur Messung der Fähigkeit eines Geräts, ein optisches Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln), was etwa 100 Mal höher ist als bei bestehenden UV-Sensoren. Diese Reaktionsfähigkeit blieb auch nach 100 Zyklen wiederholten Biegens stabil, was zeigt, dass sie in Wearables integriert werden kann.

Innovation öffnet die Tür zu UV-fähiger flexibler Wearable-Technologie

Der leitende Forscher, NTU-Assistenzprofessor Kim Munho von der School of Electronic and Electrical Engineering, sagte, die hohe Leistung der flexiblen UV-Lichtsensoren des Teams beweise, dass es möglich sei, leichte und flexible Elektronik in großem Maßstab herzustellen, die in zukünftigen relevanten lichtbasierten Anwendungen eingesetzt werden könne.

Die Errungenschaft des NTU-Teams könnte zu bedeutenden Fortschritten bei optoelektronischen UV-Geräten und -Schaltungen führen, fügte Prof. Kim hinzu, da Produktingenieure nun UV-fähige tragbare Systeme entwickeln könnten.

"Während die Leistung der starren Form von UV-Lichtsensoren auf GaN-Basis in den letzten Jahren durch verschiedene strukturelle Innovationen erheblich verbessert wurde, steckt die flexible Version noch in den Kinderschuhen, und ihre Leistung bleibt weit hinter der der starren Gegenstücke zurück", so Prof. Kim.

"Unsere flexiblen Hochleistungs-UV-Lichtsensoren, die wir entwickelt haben, ebnen den Weg für ein breites Spektrum künftiger tragbarer Anwendungen, wie z. B. für die persönliche intelligente Gesundheitsüberwachung, bei der die Menschen ihre UV-Belastung während des Tages genau messen können, um ihr Hautkrebsrisiko zu verringern."

Hautkrebs, eine der häufigsten Krebsarten weltweit, wird in erster Linie durch eine zu hohe UV-Belastung durch die Sonne verursacht. In Regionen wie Australien, wo die Hautkrebsrate weltweit am höchsten ist, wird nach Angaben des World Cancer Research Fund bei etwa zwei von drei Menschen bis zum Alter von 70 Jahren Hautkrebs diagnostiziert.

"Hautkrebs kann verhindert werden, indem die Haut vor übermäßiger Sonneneinstrahlung geschützt wird. In diesem Zusammenhang könnte ein zuverlässiges tragbares Gerät, das die UV-Belastung aufzeichnet, ein praktisches Hilfsmittel sein, um die empfohlene Exposition zu überwachen, insbesondere für diejenigen, die viel Zeit im Freien verbringen", so das Forscherteam.

Associate Professor Zhao Hongping von der Abteilung für Elektro- und Computertechnik der Ohio State University, USA, der nicht an der Forschung beteiligt ist, hob die Bedeutung der Arbeit des NTU-Forschungsteams hervor und sagte: "Diese Demonstration auf einer flexiblen Plattform eröffnet enorme Möglichkeiten nicht nur für UV-Photodetektoren, sondern auch für andere optoelektronische und elektronische Anwendungen."

Für die Entwicklung der flexiblen UV-Lichtsensoren benötigte das NTU-Team zwei Jahre für Design, Herstellung und Tests. Für die Zukunft planen die Forscher die Entwicklung von augenähnlichen UV-Bildgebern und anderen Anwendungen unter Verwendung ihrer Innovation.

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